КІРІСПЕ

Астана – 2014 ж.

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Даулетбекова А.К., Ақылбеков Ә.Т.

 

 

КОНДЕНСИРЛЕНГЕН КҮЙ ФИЗИКАСЫ

Оқулық

Астана - 2014 ж.

УДК 538.9(075.8)

ББК 22.37я73

К 55

 

Физика-математика ғылымдарының

докторы, профессор: А.Т. Ақылбеков

Физика-математика ғылымдарының

кандидаты, доцент: А.К. Даулетбекова

 

Пікір берушілер:

 

Физика-математика ғылымдарының

кандидаты, профессор м.а.: А.К.Морзабаев

РhD доктор, доцент: М.М.Муратбеков

 

К55 Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университетінің Ғылыми кеңесінің шешімімен ба

спаға ұсынылған № хаттама 2014

Даулетбекова А.Қ., Ақылбеков Ә.Т «Конденсирленген күй физикасы» пәні бойынша оқу құралы. - Астана. Л.Н.Гумилев атындағы ЕҰУ, 2014.- 175 бет

 

ISBN

 

«Конденсирленген күй физикасы» оқулығы «Физика», «Ядролық физика» және «Техникалық физика» мамандықтарының мемлекеттік білім стандартына, типтік және жұмыс оқу бағдарламасына сәйкес жасалған. «Конденсирленген күй физикасы» пәнінің мазмұнын толық қамтиды. Оқулықта идеал кристалдардың геометриясы, топтар теориясы, байланыс түрлеріне байланысты кристалдардың классификациясы, кристалдардағы ақаулар және қатты денелердің механикалық, жылулық, электрлік, оптикалық қасиеттері қарастырылады.

 

УДК 538.9(075.8)

ББК 22.37я73

 

© Л.Н.Гумилев атындағы Еуразия

ұлттық университеті, 2014

КІРІСПЕ

Атомдық-молекулалық деңгейде зат газ, сұйық және қатты дене күйінде бола алады. Конденсирленген күй физикасы: 1) конденсирленген фазаның атомдары немесе молекулалары бір біріне жақын орналасады және күшті әсерлеседі және 2) осы конденсирленген фаза қоршаған ортадан «конденсирленген материя-вакуум» беттері арқылы нақты ажыратылған болады. Осылайша, конденсирленген күй физикасы заттың газ күйін қарастырмайды.

Конденсирленген зат атомдары мен молекулалар екі түрлі:

· тербелмелі – атомдар мен молекулалар қандай да бір тепе-теңдік күйінің төңірегінде тербеледі, осы тербелістің амплитудасы, атомдар немесе молекулалар арасындағы қашықтықпен (d) салыстырғанда аз болады;

· трансляциялық – нақты жағдайда жеке атомдар мен молекулалар жүйенің ішінде олардың өзара ара қашықтығымен (d) салыстырғандаүлкен қашықтыққа дейін орын ауыстыра алатын қозғалысқа қатысады.

Тербелмелі қозғалыстың сипаттамалық уақыты ~10-13 -10-12с, ал қатты дене бойынша бөлшектің көшу процесіне тән сипаттамалық уақыт ~103 -104с (яғни сағат бойы барлығы қозғалыссыз болады). Уақыт шкаласында және бір-бірінен қатты ерекшеленеді. Тек қатты денені қандай да бір 1000-3000К температураға дейін қыздырған кезде, яғни қатты дене балқығанда секунд үлестерімен өлшенеді, бірақ бәрібір және бір-бірінен миллион есе ерекшелінеді және уақыт бойынша процестер шатастырылмайды.

Заттың екі агрегаттық күйі – сұйық және қатты дене (олар конденсирленген күйлер деп аталады) – күшті әсерлесетін бөлшектерден тұрады. Осындай денелердегі атомаралық қашықтық тартылыс және тебіліс күштері теңесетіндей болып орнайды. Сондықтан конденсирленген заттар өз көлемінің өзгеруіне үлкен кедергі жасайды. Осылардың ішінде мұнымен қоса өз пішінінің өзгерісіне үлкен кедергі жасайтындары қатты денелер деп аталады. Қатты дене мен сұйықтың арасындағы шекара қатаң түрде анықталмаған. Сұйыққа қатты денелер (көлемін сақтайды, бет түзеді, айырылып кетуге қарсы қандай да бір мықтылығы бар) мен газдардың (ыдыс көлемін ала алатын) кейбір қасиеттері тән, алайда тек сұйықтардың өзіне тән қасиеттері де бар, олардың ішіндегі маңыздысы – аққыштық.

Көп жылдар бойы конденсирленген күй физикасының нысандары ретінде бөлшектері жоғары тәртіппен орналасқан құрылымы бар кристалдық қатты денелер алынды. Идеал кристалдар - атомдары немесе иондары қатаң тәртіппен орналасқан үш өлшемді жүйе болып табылады. Әрине, кристалды құрайтын бөлшектердің ретпен орналасу әдісі сан түрлі. Үш кеңістікті өстер (а1, а2, а3) бойынша қайталанатын атомдар арасындағы қашықтықтардың бірдей немесе әр түрлі болуына, сонымен қоса периодты атомдар тізбегінің арасындағы бұрыштарға (α, β, γ) байланысты кристалдар симметриясы және беттік шектері бойынша ерекшеленеді.

Бұл курста біз қарапайым кубты симметриялы кристалдардың бірнеше кластарын: 1) сыртқы электрондық қабықшалары толықтай толтырылған атомдардан –Ne, Ar, Kr, Xe құралған молекулалық кристалдарды және 2) сыртқы электрондық қабықшалары толтырылған оң иондар (катиондар) мен теріс иондардан (аниондар) құрылған ионды кристалдардықарастырамыз. Мысалы, KCl≡K+ Cl−, MgO≡Mg2+O2−, CaF2≡Ca2+(F−F−).

Идеал молекулалық және ионды кристалдардың құрылымдары қарапайым және өте жақсы зерттелген. Осындай жүйелерде біз идеал құрылымның негізгі ауытқуларын нүктелік, сызықтық және беттік ақаулар деп аталатын- идеал периодты құрылымнан ауытқуларды қарастырамыз. Идеал және нақты (ақауларымен) қарапайым моноатомды немесе бинарлық кристалдардың құрылымы қарапайым және көрнекті, сондықтан осындай кристалдарды зерттеу ұзақ уақыт бойы қатты дене физикасының негізгі мәселесі болып табылған. Техниканың дамуы үш немесе одан да көп элементтерден тұратын күрделі кристалдық жүйелерді зерттеуді талап етті. Мысалы, СаSiO4 қарапайым катиондардан – Са2+ ионынан және молекулалық құрылымы бар аниондардан – (SiO4)2- тұрады: кішкентай ион Si (кремний) төбелерінде оттегі орналасқан тетраэдр ортасында орналасқан. Катиондар мен молекулалық аниондар арасындағы байланыс ионды (анион мен катион арасындағы кулондық тартылыс күшіне негізделген) байланыс, ал молекулалық анион ішіндегі бөлшектер арасындағы байланыс коваленттіболады. Тетраэдрлік аниондардың орналасуы кристалдарда әр түрлі және әр түрлі бағыттарда қасиеттері айтарлықтай ерекшеленетін әр түрлі анизатропты кристалдарды құрудың, мүмкіншіліктері бар. Біршама үлкен молекулалардан құралған таза молекулалық кристалдар да бар. Осындай кристалдарда әрбір молекула жуық түрде газ фазасындағы бір молекулаларға тән қасиеттерін сақтайды, әйткенмен әлсіз байланыстармен байланысқан реттелген кристалдағы көптеген молекулалар үшін арнайы ұжымдық қасиеттер байқалады (антрацен, нафталин – бензолды сақиналардан тұрады).

return false">ссылка скрыта

Конденсирленген күйді зерттеу ұзақ уақыт бойы бастапқыда қарапайым, кейінірек күрделі идеал кристалдарды зерттеуге бағытталған болатын. Заманауи техника келесі күрделі деңгейге өтуді қажет етті. Кристалдардың өсірілуі (идеал ғана емес нақты кристалдарды да) – бұл қымбат әрі күрделі процесс. Осы күнге дейін, негізінде өлшемі сантиметрмен, ал кейде ондаған сантиметрмен шектелген біршама кіші кристалдар сәтті түрде өсіріліп жатыр. Техникада көбінесе метрмен өлшенетін бұйымдар қажет болып жатады. Сондықтан жүйенің барлық көлемі бойынша аздаған ретсіздікке ие, қатты денелі жүйелерді зерттеуге деген қызығушылық күрт артты. Осында жүйелерге шыныларды жатқызуға болады.

Шыны жоғары температурада балқытылған заттың суытылған пішінге ағылуы кезінде алынады. Мысалы кварц кристалын SiO2 алайық, ол жоғары температурада балқытылып, кейін бірден тез суытылады. Осы кезде SiO2 кристалдарына тән бөлшектердің ретпен орналасуы толықтай дерлік қалпына келмейді. Шынылардың микроқұрылымының әбден зерттелуі: кристалдың l>>d қашықтықта орналасқан екі нүктесіндегі тәртіп пен құрылымы бірдей болған жағдайда шыны кристалға тән алыс реттілікті жоғалтатындығын көрсетті. Шыны тәріздес SiO2 үшін бір бірінен аз қашықтықта орналасқан нүктелер үшін бөлшектердің орналасуы сақталады. Шыны тәріздес күй жақын реттіліктің сақталуымен жуық және алыс реттіліктің болмауымен сипатталады делінеді.Сәйкесінше, шынының кейбір қасиеттері (кристалмен салыстырғанда) әлсіз өзгереді, ал кейбір алыс реттілікті қажет ететін қасиеттері тұтастай өзгереді.

Ескі әдебиеттерде шыныларды жақын реттілікке ие жүйе ретінде талқылаған. Алайда кейінгі зерттеу жұмыстары көрсеткендей шыныда жақын реттіліктің өзі жуық түрде сақталады. Барлық Т кезінде, тіптен Т=0К болғанның өзінде де кристалды құратын бөлшектер қозғалыссыз жағдайда болмайды, олар аз (d – мен салыстырғанда) тербелістер жасайды. Сондықтан кристалдарда қатаң түрде ретті және периодты түрде оларға қатысты атомдар өз тербелістерін жасайтын кристалды тордың түйіндері – тепе теңдік нүктелері ғана орналасады. Ал шыныда, маңында атомдар тербелетін түйіндердің орналасуы кристалдардың жақын орналасқан аймағының аз ерекшелінеді. Барлық шыныда тепе теңдік күйінің шашырауы орын алады, ол жақын қашықтықтарда d – мен салыстырғанда аз және алыс қашықтықта едәуір көп болады. Дегенмен, шынылардағы жақын реттіліктен ауытқуларды нүктелік немесе сызықтық ақау деп талқылауға болмайды, ол шынының іргелі қасиеті.

Конденсирленген күй физикасы кристалдық қатты денелерді электрлік қасиетіне байланысты: диэлектриктер, жартылай өткізгіштер және өткізгіштер деп бөліп қарастырады. Осындай түрлердегі қатты денелердің айырмашылығы 70 жылдан астам бұрын, кванттық механиканың негізінде, қатты денелердің зоналық теориясын жасай отырып талқыланған.

Асқын өткізгіш материалдартуралы естіген шығарсыздар. Төмен температуралы асқын өткізгіштер үшін қандай да бір Тс сын температурадан төмен Т температурада материалдың электрлік кедергісі секірмелі түрде нөлге дейін төмендейді. Т<Тс болған жағдайда өткізгіштік электрондары өздерін жеке квазибөлшек сияқты көрсетпейді, олар өздерін кристалдық тордың тербелісімен және ақауларымен әсерлесуін тоқтататын тәртіпті ұжым ретінде көрсетеді. Ұзақ уақыт бойы Тс ≤ 15К болып келген және қолдану облысы (негізінен, суытылатын магниттер орамы үшін) кіші болған. 1987 жылы бұрын диэлектрлік материалдар ретінде қарастырылған, кейбір метал оксидтерінде температурасы Тс–дан 80К-ге дейін жоғары температуралы асқын өткізгіш алуға мүмкіншілік болды, 20 жыл ішінде тек 160К-ге дейін жылжуға мүмкіншілік болды. Дәстүрлі асқын өткізгіштермен салыстырғанда жоғары температуралы асқын өткізгіштерде кемтікті (электронды емес) асқын өткізгішті ұжым бар.


1.Бөлім. Идеал кристалдардың геометриясы